專(zhuān)利名稱(chēng)：高壓焊接管道裂紋擴(kuò)展限制器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓力干管的結(jié)構(gòu)，更確切地說(shuō)涉及高壓焊接管道裂紋擴(kuò)展限制器及其制作方法。
眾所周知的裂紋擴(kuò)展限制器結(jié)構(gòu)是與管道直徑相同的輪箍或鋼索環(huán)。輪箍或鋼索環(huán)接受裂紋運(yùn)動(dòng)時(shí)釋放出來(lái)的彈性能，阻止裂紋棱開(kāi)裂，從而為改變裂紋運(yùn)動(dòng)軌線(xiàn)，即變縱向運(yùn)動(dòng)為螺旋形運(yùn)動(dòng)并繼而使裂紋止動(dòng)創(chuàng)造條件。
但是，裂紋擴(kuò)展限制器的所有這些結(jié)構(gòu)，使制造管道本身的工藝大大復(fù)雜化，且提高了管道的成本。
還有一種高壓焊接管道裂紋擴(kuò)展限制器，這種限制器是用多層薄板按管道直徑制成的圓柱形管，至少在一處薄板上有與裂紋的預(yù)期方向成角度的一些切口(US，A，4.383556)。
在煤氣干線(xiàn)管道中產(chǎn)生并發(fā)展到裂紋多層限制器上的破裂，途中遇到限制器層中的切口，在其一端終止后，不會(huì)在另一端立即開(kāi)始。
但是，在這種限制器的多層壁中沒(méi)有層與層之間的接合。實(shí)際上，限制器的壁是由一些單個(gè)的薄板組合而成。這種結(jié)構(gòu)由于層間有間隙給同管道主要管子的焊接帶來(lái)困難，這會(huì)導(dǎo)致端部疏松，間隙中滲入非金屬夾雜物和異物。需要在限制器的端面焊接上實(shí)壁連管，這會(huì)降低使用這種限制器的效能。切口的存在會(huì)降低限制器壁的強(qiáng)度。
此外，限制器的線(xiàn)性尺寸，它的長(zhǎng)度受用來(lái)制造裂紋擴(kuò)展限制器的扁材寬度的制約。
最后，還有一種高壓焊接管道裂紋擴(kuò)展限制器，這種限制器是按管道直徑制成的一段圓柱形管，管內(nèi)至少有一個(gè)與裂紋擴(kuò)展的預(yù)期方向成角度的構(gòu)件。這種限制器的壁是多層的，至少在壁的一個(gè)內(nèi)層上有一個(gè)構(gòu)件，即與限制器縱軸成角度的長(zhǎng)切口。限制器的端緣具有整體式結(jié)構(gòu)，可毫不困難地將其同管道的主要管子焊接在一起。
這種限制器的制作方法也是人所共知的，即煉出鋼錠，將煉出的鋼錠熱軋成限制器的板坯，在板坯上至少形成一個(gè)同板坯的一個(gè)方向成角度的構(gòu)件，然后用板坯按裂紋限制器所需幾何尺寸制成焊接管(PCT)SU84(00016)。
以上述方法制造的裂紋限制器是一個(gè)至少其中一層的密實(shí)性受人為斷裂的多層結(jié)構(gòu)。根據(jù)這一方法，首先用多層板坯制造直徑小于而壁厚大于所需限制器最終幾何尺寸的焊接管，然后將其加熱，在擴(kuò)徑機(jī)床上將整個(gè)焊接管擴(kuò)徑，使之達(dá)到裂紋限制器的最終幾何尺寸，在擴(kuò)徑過(guò)程中各層焊接到一起。
這種制造裂紋限制器的方法可把單個(gè)的層焊接到一起，形成整體式邊緣。
但是，以這種方法制造的限制器，同上面已描述的方法一樣，由于存在減弱限制器壁強(qiáng)度的切口，具有降低了的剛度。
這種方法不能取得保證限制器同管道管子同心性的準(zhǔn)確幾何尺寸。
這使建設(shè)管道時(shí)的安裝作業(yè)和工藝操作(運(yùn)輸、焊接管子、覆蓋絕緣層)復(fù)雜化。這一方法的特點(diǎn)是勞動(dòng)量大，需有貴重、復(fù)雜的設(shè)備來(lái)為管道多層板坯擴(kuò)徑。
本發(fā)明的基本任務(wù)是制造這樣一種高壓焊接管道裂紋擴(kuò)展限制器，這種限制器壁的強(qiáng)度不低于管道主要管子的強(qiáng)度，且能保證可靠地消除沿管道縱向擴(kuò)展的裂紋，同時(shí)創(chuàng)立一種制造這種限制器的方法，使之能夠不用貴重設(shè)備即可獲得具有確切規(guī)定的幾何尺寸的限制器。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)在于，在高壓焊接管道裂紋擴(kuò)展限制器中，這種限制器是按管道直徑制成的一段圓柱形管，圓柱形管內(nèi)至少有一個(gè)與裂紋擴(kuò)展的預(yù)期方向成角度的構(gòu)件，根據(jù)發(fā)明，構(gòu)件是一個(gè)由強(qiáng)度至少等于管子材料強(qiáng)度的材料制成的墊塊，墊塊具有長(zhǎng)條形狀和厚度h≧0.3H，這里的H是管壁厚度，墊塊的位置是墊塊在與管子對(duì)稱(chēng)軸相垂直的平面上的投影呈現(xiàn)同管子同心的環(huán)，而且墊塊同管子材料沿貼合面的接合強(qiáng)度P為0＜P＜δT，這里的δT是管子材料的屈服點(diǎn)。
墊塊既可用管子材料，也可用強(qiáng)度大于管子材料強(qiáng)度的其他材料，例如用奧氏體鋼、陶瓷制作。墊塊亦可是帶有同管子對(duì)稱(chēng)軸相垂直的層的多層結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)在于，在高壓管道裂紋擴(kuò)展限制器的制作方法中，這一制作方法是煉出鋼錠、熱軋鋼錠以制造裂紋限制器的板坯、板坯上至少形成一個(gè)同板坯的一個(gè)方向成角度的構(gòu)件、用板坯按裂紋限制器所需幾何尺寸制成焊接管，根據(jù)本發(fā)明，形成構(gòu)件是在澆注鋼水前至少把一個(gè)墊塊裝入鑄型煉制鋼錠的階段實(shí)現(xiàn)，這一墊塊材料的強(qiáng)度至少等于澆鑄鋼錠材料的強(qiáng)度，墊塊具有長(zhǎng)條形狀和厚度h1≧0.3HI，這里的HI系煉出鋼錠的厚度，而在用板坯制作焊接管過(guò)程中使板坯成形時(shí)，要使長(zhǎng)條墊塊的端面處于需要焊接的板坯邊緣。
可使用矩形六面體形狀的墊塊，在這種情況下應(yīng)該在把墊塊裝入鑄型前在其兩個(gè)平行棱邊上部分地涂敷覆蓋物，以防止墊塊材料與鋼錠材料在煉制鋼錠過(guò)程中熔結(jié)，而軋制鋼錠時(shí)要使帶有覆蓋物的棱邊同板坯平面相垂直。
在根據(jù)本發(fā)明制作的高壓焊接管道裂紋擴(kuò)展限制器中，限制器內(nèi)的構(gòu)件是一個(gè)墊塊，墊塊的強(qiáng)度甚至可大于限制器本身的強(qiáng)度，同時(shí)墊塊同限制器材料沿貼合面的接合強(qiáng)度小于限制器材料的屈服點(diǎn)。這可(通過(guò)取消非密實(shí)性切口)大大提高限制器的剛度，從而大大提高管道的可靠性。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的高壓焊接管道裂紋擴(kuò)展限制器制作方法，可簡(jiǎn)化裂紋限制器的制造工藝-取消了制作切口作業(yè)和用擴(kuò)徑機(jī)為圓柱形板坯擴(kuò)徑的工序，因而不需要使用擴(kuò)徑機(jī)這樣的貴重設(shè)備，并可保證在準(zhǔn)確取得裂紋擴(kuò)展限制器所需幾何尺寸的情況下提高生產(chǎn)率。
下面，通過(guò)描述限制器的具體實(shí)施方案和附圖來(lái)闡述本發(fā)明，附圖有

圖1以示意圖表示高壓干管的一段管子，管中根據(jù)本發(fā)明裝入裂紋擴(kuò)展限制器;
圖2表示根據(jù)本發(fā)明制作的等徑高壓焊接管道裂紋擴(kuò)展限制器，局部剖面圖;
圖3表示圖1所示內(nèi)容，縱剖面圖;
圖4、5、6、7、8表示圖3A段放大(墊塊制作方案);
圖9a、b、c、d表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施裂紋擴(kuò)展限制器制作方法的各個(gè)階段。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明安裝在高壓(～7.5帕斯卡)干線(xiàn)管道兩個(gè)相鄰管段2、3之間并以環(huán)形焊縫4與之相接的裂紋擴(kuò)展限制器。
圖2、3所示的裂紋擴(kuò)展限制器1系按管道直徑制成的一段圓柱形管5，圓柱形管5內(nèi)至少有一個(gè)構(gòu)件6，在所述方案中有三個(gè)構(gòu)件6。
構(gòu)件6制作成墊塊，墊塊6具有長(zhǎng)條形狀和厚度h≧0.3H，這里的H系管(5)壁厚度，墊塊6在管5內(nèi)的位置同裂紋(沿管道)擴(kuò)展的預(yù)期方向成α角并使墊塊6在與管5對(duì)稱(chēng)軸相垂直的平面上的投影呈現(xiàn)同管5同心的環(huán)。α角一般選為近90°，但亦可是0°＜α＜180°范圍內(nèi)的任何其他數(shù)值。
墊塊6的最小厚度h選為≧0.3H是考慮到h小于0.3H時(shí)縱向裂紋可無(wú)阻礙地通過(guò)限制器擴(kuò)展，而墊塊6的最大厚度h只限于其必須位于管5內(nèi)。
墊塊6與管5材料沿貼合面接合的強(qiáng)度在0＜P＜δT范圍內(nèi)，這里的P系結(jié)合強(qiáng)度，δT系管5材料的屈服點(diǎn)。
在墊塊6與管5材料沿貼合面接合的強(qiáng)度等于零時(shí)，貼合面之間形成間隙，這會(huì)使限制器制造工藝復(fù)雜化，特別是在焊接限制器板坯縱向邊緣的階段。在墊塊6與5材料沿貼合面接合的強(qiáng)度等于或大于管材料的δT時(shí)，縱向裂紋就會(huì)象在沒(méi)有限制器的管道中一樣擴(kuò)展。
墊塊6用強(qiáng)度至少等于管5材料強(qiáng)度的材料制作。例如，在一個(gè)方案中墊塊6用管5材料制作，在另一方案中墊塊6用奧氏體鋼制作，這種鋼的沖擊軔性在直至攝氏-196°的負(fù)溫度時(shí)大大高于管5材料的沖擊軔性。
在第三個(gè)方案中，墊塊6可用陶瓷，例如用粘土熟料、菱鎂土和其他材料制作。
墊塊6具有長(zhǎng)條構(gòu)件形狀，這種構(gòu)件的一個(gè)線(xiàn)性尺寸大大超過(guò)其他線(xiàn)性尺寸并可在例如正方形(圖4)、橢圓形(圖5)、六角形(圖6)、矩形(圖7)、平行四邊形(圖8)及其他形狀中擁有橫斷面。此外，墊塊6可有多層結(jié)構(gòu)，其中層7(圖4)與管5對(duì)稱(chēng)軸相垂直。
裂紋擴(kuò)展限制器工作如下。在干線(xiàn)管道中產(chǎn)生并發(fā)展到限制器1(圖2)的破裂，途中遇到墊塊6表面與管5材料表面分界線(xiàn)，破裂在一個(gè)表面終止后，不會(huì)在另一表面立即開(kāi)始。在此處，裂紋運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，沿管道軸的縱向運(yùn)動(dòng)變?yōu)橛蓧|塊6方位所決定的環(huán)形運(yùn)動(dòng)，而裂紋沿管道的擴(kuò)展停止。這時(shí)，墊塊6所選厚度大于管(5)壁厚度0.3，即可阻止裂紋以任何速度擴(kuò)展。墊塊6與管5對(duì)稱(chēng)軸成α角可防止裝有墊塊6的限制器的強(qiáng)度和剛度的可能降低并保證其高度的可靠性。用奧氏體鋼制造墊塊6可提高在負(fù)溫度(攝氏-40°以下)條件下應(yīng)用管道時(shí)限制器1的可靠性。
用陶瓷材料制造的墊塊6有助于有效地阻止在超高壓(大于10-12帕斯卡)下工作、具有加厚壁(～30毫米)的管道的裂紋。
具有多層結(jié)構(gòu)的墊塊6特別適于在以脈沖方式大范圍地改變壓力(7.5-12帕斯卡)的管道中使用。
隨層數(shù)而相應(yīng)增加的、貼合面接合強(qiáng)度減弱的分界線(xiàn)，可在壓力劇變的情況下保證高度的可靠性。
根據(jù)本發(fā)明，高壓管道裂紋擴(kuò)展限制器的制作方法如下。
在鑄型8(圖9a)(鑄錠?；蚪Y(jié)晶器)中，在澆注鋼水前，至少裝入一個(gè)與鑄型8垂直對(duì)稱(chēng)軸成角度的墊塊6。墊塊6用強(qiáng)度至少等于可鑄造鋼錠材料的強(qiáng)度的材料，例如用奧氏體鋼制作，這種鋼含有碳-0.12%，硅-0.8%，鉻-(18-20)%，鎳-(8-12)%，鈦-(0.3-0.6)%，錳-2%，鐵-其他，墊塊的厚度為h1≧0.3HI，這里的HI系煉出鋼錠的厚度。然后把鋼水9澆入鑄型8，煉出厚為HI的鋼錠，這時(shí)，墊墊塊6與鋼錠材料沿貼合面接合的強(qiáng)度達(dá)到數(shù)值0＜P＜δT。鋼錠熱軋成寬度為H的板坯10(圖9b)，這時(shí)墊塊6也發(fā)生變形，獲得厚度h≧0.3H。
此后，使限制器鋼坯10(圖9c)成形，辦法是把長(zhǎng)條墊塊6的端面置于需要焊接的板坯10邊緣，然后沿板坯縱向邊緣進(jìn)行焊接，便可得到限制器所需幾何尺寸的管(圖9d)。
為了確保調(diào)整墊塊6與管5材料沿貼合面接合強(qiáng)度的大小，在呈矩形六面體形的墊塊6的兩個(gè)平行棱邊11上部分地涂敷覆蓋物，例如菱鎂粉，以阻止墊塊6材料與鋼錠材料在煉制鋼錠過(guò)程中熔結(jié)。
在進(jìn)行熱軋時(shí)，鋼錠的置法是帶有覆蓋物的棱邊11要與已得的板坯10的平面相垂直。
為了更加明確地說(shuō)明本方法的實(shí)質(zhì)，下面列舉實(shí)施本方法的具體例子。
例1。
為制造裂紋擴(kuò)展限制器1，取9枚用管鋼制作的墊塊6，管鋼包含碳-0.1%，錳-1.7%，硅-(0.3-0.5)%，鋁-(0.02-0.05)%，鈮-0.05%，釩-0.1%，鐵-其他，墊塊形狀為矩形六面體，體積為30×400×2000毫米，在這里h1＝400毫米。把墊塊6以對(duì)鑄錠模垂直軸α＝～30°的角度裝入鑄錠模。在裝有墊塊6的鑄錠模中用底注法澆注上述管鋼。
凝固后鋼錠脫模，其體積為750×1600×2200毫米。
接著，將鋼錠輸送到加溫爐，加熱到攝氏1320°。加熱了的鋼錠用3600厚板軋機(jī)軋制成扁鋼，扁鋼再軋制成厚16.4毫米、寬2120毫米的鋼板。這時(shí)墊塊的厚度h＝8.8毫米。
板坯軋薄后，沿板坯邊緣表面露有墊塊6端面的縱向邊緣焊接，便可獲得管道直徑制成的圓柱形管形狀的裂紋擴(kuò)展限制器。
例2。
為制作裂紋擴(kuò)展限制器1，取三枚奧氏體鋼墊塊6，墊塊6呈方形斷面的矩形六面體，體積為250×250×1100毫米，這里的h1＝250毫米。
在每個(gè)墊塊兩個(gè)平行棱邊的50%的表面上，涂以水玻璃菱鎂粉。在澆注管鋼前，把墊塊以對(duì)鑄錠模垂直軸α＝40°的角度裝入鑄錠模。以底注法將管鋼澆入鑄錠模。涂敷在墊塊上的覆蓋物阻止墊塊材料與鋼錠材料的接合;在墊塊表面未涂覆蓋物處發(fā)生墊塊材料與鋼錠材料的接合，組成的接合處的強(qiáng)度為0＜P＜δT，δT系管鋼的屈服點(diǎn)。晶化的鋼錠脫模后體積為750×1600×2200毫米。將鋼錠輸送到加溫爐，加熱到攝氏1330°，軋制成厚16.4毫米、寬2120毫米、長(zhǎng)11500毫米的鋼板。
這時(shí)，墊塊的厚度為h＝5.6毫米。將板坯成形為管，并沿帶有露在表面上的墊塊端面的縱向邊緣焊接。
獲得長(zhǎng)為2120毫米的裂紋擴(kuò)展限制器。
例3。
制作類(lèi)似例1中所述的裂紋擴(kuò)展限制器，與例1不同處只是墊塊具有多層結(jié)構(gòu)，每個(gè)墊塊包括厚為10毫米的三層，用管鋼制作。
墊塊的層與板坯面相垂直。
對(duì)按例1、2制作的裂紋擴(kuò)展限制器進(jìn)行試驗(yàn)。供試驗(yàn)的是一段兩端封閉的管道，這段管道帶有兩個(gè)長(zhǎng)各為2120毫米的裂紋擴(kuò)展限制器和一個(gè)長(zhǎng)為2000毫米的中央加速管。
管道中給以7.5帕斯卡的壓力，引發(fā)裂紋，裂紋經(jīng)過(guò)加速管，到達(dá)第一個(gè)墊塊6時(shí)在限制器中轉(zhuǎn)入環(huán)行。
在對(duì)按例3制作的裂紋擴(kuò)展限制器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，管道中的壓力從7.5帕斯卡變?yōu)?2帕斯卡。
裂紋達(dá)到第一層和第二層交界處的第一個(gè)多層墊塊6時(shí)在限制器中轉(zhuǎn)入環(huán)行。
限制器1的幾何尺寸完全符合管的尺寸，限制器的邊緣非常堅(jiān)固，這是采用完全符合管子生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)工藝的結(jié)果。限制器1由于沒(méi)有切口具有很高的剛度。構(gòu)件-墊塊6配置在限制器1壁上，是附加的強(qiáng)化構(gòu)件。
可以采用多種多樣的形狀的墊塊6，可以使用各種不同材料制造的墊塊6，這使裂紋擴(kuò)展限制器得以擴(kuò)大工作范圍。
上述限制器制造方法的優(yōu)點(diǎn)是，限制器的制造工藝完全符合管子的工藝。形成構(gòu)件的作業(yè)是在澆注鋼水前裝爐煉制鋼錠階段進(jìn)行。
按本發(fā)明所述方法生產(chǎn)限制器，可使用生產(chǎn)管子的技術(shù)設(shè)備，不需增加基本建設(shè)經(jīng)費(fèi)。
卷繞多層鋼坯作業(yè)、制作切口作業(yè)的免除，大大簡(jiǎn)化了工藝，提高了生產(chǎn)率。
權(quán)利要求
1.高壓焊接管道裂紋擴(kuò)展限制器是按管道直徑制成的一段圓柱形管(5)，圓柱形管(5)內(nèi)至少有一個(gè)與裂紋擴(kuò)展的預(yù)期方向成角度的構(gòu)件，其特征是構(gòu)件是一個(gè)由強(qiáng)度至少等于管(5)材料強(qiáng)度的材料制成的墊塊(6)，墊塊(6)具有長(zhǎng)條形狀和厚度h≥0.3H，這里的H是管(5)壁厚度，而墊塊的位置應(yīng)是墊塊在與管(5)對(duì)稱(chēng)軸相垂直的平面(1)上的投影呈現(xiàn)與管(5)同心的環(huán)，而且墊塊(6)與管(5)材料沿貼合面的接合面的接合強(qiáng)度P為0＜P＜δT，這里的δT是管(5)材料的屈服點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的限制器，其特征是墊塊(6)用管(5)材料制作;
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的限制器，其特征是墊塊(6)用奧氏體鋼制作;
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的限制器，其特征是墊塊(6)用陶瓷制作;
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的限制器，其特征是墊塊(6)有多層結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)中，層(7)與管(5)對(duì)稱(chēng)軸相垂直。
6.高壓管道裂紋擴(kuò)展限制器的制作方法是煉出鋼錠，熱軋鋼錠以制造裂紋限制器的板坯(10)，板坯上至少形成一個(gè)與板坯的一個(gè)方向成角度的構(gòu)件，用板坯按裂紋限制器所需幾何尺寸制出焊接(5)，其特征是形成構(gòu)件是在澆注鋼水前至少把一個(gè)墊塊(6)裝入鑄型(8)煉出鋼錠的階段實(shí)現(xiàn)，這一墊塊(6)材料的強(qiáng)度至少等于澆鑄鋼錠材料的強(qiáng)度，墊塊具有長(zhǎng)條形狀和厚度h1≧0.3HI，這里的HI系煉出鋼錠的厚度，而在用板坯(10)制作焊接管(5)過(guò)程中使板坯(10)成形時(shí)，要使長(zhǎng)條墊塊(6)的端面處于需要焊接的板坯(10)邊緣。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裂紋限制器的制作方法，其特征是使用矩形六面體形狀的墊塊(6)，在把墊塊(6)裝入鑄型(8)前在其兩個(gè)平行棱邊上部分地涂敷覆蓋物，以防止墊塊(6)材料與鋼錠材料在煉制鋼錠過(guò)程中熔結(jié)，而軋制鋼錠時(shí)要使帶有覆蓋物的棱邊同板坯(10)平面相垂直。
全文摘要
裂紋擴(kuò)展限制器(1)系一段管子(5)，管(5)內(nèi)有與裂紋擴(kuò)展預(yù)期方向成角度的長(zhǎng)條墊塊(6)。墊塊(6)用強(qiáng)度等于或大于限制器(1)材料強(qiáng)度的材料制作。裂紋限制器(1)的制作方法是，在澆注鋼水前將長(zhǎng)條墊塊裝入鑄型，而在用限制器板坯制作焊接管過(guò)程中，沿其中有墊塊端面的板坯邊緣進(jìn)行焊接。
文檔編號(hào)B21C37/06GK1040424SQ89106379
公開(kāi)日1990年3月14日 申請(qǐng)日期1989年8月11日 優(yōu)先權(quán)日1988年8月12日
發(fā)明者伯里斯·夫吉尼維奇·帕頓, 伯里斯·茨拉利維奇·米多瓦爾, 阿萊克?！ぜ獖W吉維奇·伯加陳科, 夫拉迪米爾·亞科夫利維奇·薩科, 瓦希利·伊瓦諾維奇·尤斯, 利夫·伯里索維奇·米多瓦爾, 尼科拉·伯里索維奇·彼活瓦基, 阿納托利·瓦希利維奇·比施塞夫, 夫拉迪米·卡利斯拉維奇·彼陳科 申請(qǐng)人:馬克蘭蘇維埃社會(huì)主義共和國(guó)科學(xué)院E.O.帕頓電焊研究所